Исследование предварительного входного охлаждения для малых газотурбинных двигателей

Обозначения

Индексы

^, : с предварительным охлаждением

• 1:    перед компрессором двигателя

• 2:    за компрессором

• 3:    перед турбиной двигателя

• 5:    установка выпускного (выхлопного) сопла

а: обтекающий ас: авиация. Самолет

• g:    отработанные газы

• j:    впрыск; в соответствии с 5

• t:    застой

сс: камера сгорания id: идеальный

• is:    изотропный

• С:    компрессор

T: турбина

Сокращения

γ: адиабатная экспонента

δ t : поправочный коэффициент полного давления на входе [1]

η: КПД охлаждения

η сс : КПД камеры сгорания

η is, T : изотропный КПД турбины

η is, С : изотропный КПД компрессора

θ t : поправочный коэффициент общей температуры на впуске

λ сс : понижение давления в камере сгорания π с : коэффициент компрессии = p t2 /p t1 c p : удельная теплоемкость (дж/кгК) d: соотношение топлива к воздуху m: массовый расход входного воздуха

(кг/c)

m c : скорректированный массовый расход входного воздуха (кг/c)

m/: массовый расход входного воздуха с предварительным охлаждением (кг/c)

m f : расход топлива (кг/с)

p: давление pt: скачок давления (спад)

v: скорость (м/с)

qci: величина понижения нагрева топлива (Дж/кг)

А j : поперечное сечение I

• D:    сопротивление (торможение) (N)

EGT: температура выхлопного газа (0К)

HEX: теплообменник

HR: тепловое соотношение T t3,id /T t1

LN 2 : жидкий азот

М: число Маха

MAV: мини-воздушное средство

N 2 : азот

RMA: Королевская военная академия Бельгии

RPM: скорость вращения

(угловая скорость) (рад/мин)

RR: восстановление высоты подъема

SEP: избыток удельной мощности самолета

T: температура (0К)

TIT: температура на входе в турбину (⁰К) T с : поправочная реактивная тяга (N)

T N : реактивная тяга (сила) (N)

TSFC: удельный расход топлива

TSFC N2 : LN 2 – удельный расход топлива при предварительном охлаждении

UAV: автоматическое неуправляемое воздушное транспортное средство

UCAV: неуправляемое военное воздушное транспортное средство

Введение. Малогабаритные газотурбинные двигатели (МГТД) в настоящее время начали находить широкое применение в авиации в связи с бурным развитием беспилотных летательных аппаратов и в энергетике, для энергоснабжения отдельных объектов (в том числе сельскохозяйственных), удаленных от энергосетей. Эта статья описывает исследования по предварительному охлаждению воздуха, поступающего в МГТД. Обсуждается, главным образом, влияние предварительного охлаждения на тягу и топливные характеристики МГТД SR-30. Предварительное охлаждение получается активно, благодаря впуску жидкого азота во входную систему двигателя, и пассивно, через винтовой теплообменник. Сравниваются теория, эксперименты и обсуждается влияние обледенения на работу двигателя. Система охлаждения воздуха на жидком азоте не может работать длительное время, но позволит, например, организовать запуск систем МГТД в условиях жаркого климата или кратковременно поднять его характеристики в случае необходимости большей тяги или большой нагрузки.

Цель этого исследования – оценить влияние входного предварительного охлаждения на работу МГТД и познакомиться с проблемами, которые могут возникнуть (например, обледенение).

МГТД SR-30. Чтобы исследовать влияние предварительного охлаждения на МГТД, использовался двигатель SR-30, сделанный компанией Turbine Technologies Ltd., США (рис. 1).

Рис. 1. Турбореактивный двигатель SR-30

Этот двигатель имеет размеры 171×273 мм и выдает на максимальном режиме 100Н тяги при установке стандартного выпускного сопла. Двигатель имеет способность работать на различных топливах, хотя все тесты выполняются с керосином JP-8. Двигатель состоит из входной части в виде колокола, центробежного компрессора, обратной камеры сгорания, осевой турбины и закрепленного конвергентного сопла.

Этот двигатель устанавливается на тестовом стенде MiniLab (рис. 2). Тестовый стенд обеспечивает контроль за двигателем, подает топливо, масло и воздух в двигатель.

Данные показываются с использованием среды Labview фирмы National Instruments.

Термодинамическое влияние предварительного охлаждения на работу двигателя. Очень полезный инструмент для подсчета тяги теоретически – это сокращенная цепь W red :

где                    7<г                  (2)

HR = ^Т"^м            (3)

Также полезно найти соотношение для вычисления тепловой эффективности:

Решения уравнений 1 и 4 представлены на рисунке 3 соответственно. Здесь можно четко увидеть, что для каждой величины степени сжатия и π с увеличения W red можно получить увеличение уровня теплового коэффициента.

Рис. 2. Тестовый стенд MiniLab RMA

Эффективность, основанная на реальных данных двигателя SR-30, представлена в таблице 1. Мы предполагаем, что вся эффективность останется постоянной и при использовании предварительного охлаждения.

Рис. 3. Уменьшенная проволочная модель энергетической эффективности МГТД

Таблица 1

RR	η is , C	η is , Т	η сс	λ сс
1	0,7	0,95	0,99	0,05

Первый метод увеличить энергетические характеристики МГТД – это впустить больше топлива, в результате чего повысятся входная температура и тепловой коэффициент.

Несмотря на то, что существуют температурные границы, введенные для камер сгорания, материала турбин и продолжительности работы двигателя, мы можем увеличить входную температуру путем уменьшения впускной температуры компрессора Tt1 .

Соответственно можно получить более высокую тягу и тепловую эффективность.

Очевидно, что увеличение теплового коэффициента выгодно для тяги. Можно спросить, что случится с ним, допустив 4 различных сценария:

• а)    увеличить Tt1 без изменения потока топлива;

• б)    уменьшить Tt1 , поддерживая соотношение топлива и воздуха постоянным;

• в)    уменьшить Tt1 , поддерживая входную температуру постоянной;

• г)    уменьшить Tt1 , поддерживая выходную температуру постоянной.

• а.    Постоянный поток топлива с уменьшенным Tt1

Главная цель – это найти уравнение, которое покажет нам, может ли быть до- стигнуто увеличение температурного коэффициента или нет. Поэтому мы должны найти соотношение между входной температурой и Tt1. Когда мы рассматриваем постоянную частоту вращения, предположение, что скорость воздуха перед компрессором v1 остается неизменной, является правдоподобным. Начиная со следующего уравнения сгорания

Чс<1 CpgTfjjd - Ср.Т(2 (5)

и применяя определения cp, d и закон Кастелли, можно вывести следующее соотношение:

Т.,, = Т.,у + АТ^АТ,,-ВУ (6)

где          А=" , v   \,    (7)

y-A.-v.-p,,

І В= ^Vj. .               (8)

2-ср

Первая часть уравнения 6 характеризует увеличение температуры благодаря сжатию воздуха, вторая часть рассказывает нам, насколько увеличится температура из-за тепла, выработанного сгоранием впрыснутого топлива. Рисунок 4 наглядно иллюстрирует уравнение 6.

Рис. 4. Зависимости Tt3id=f(Tt1) при постоянном потоке топлива и постоянной степени сжатия

Параметры а и б были подсчитаны с величинами, упомянутыми в таблице 2, и выведены из экспериментальных данных.

Таблица 2

Экспериментальные и подсчитанные данные

q c	43,2 Mj/kg fuel
m f	0,00441 kg/s
Y	1,4
A 1	7390 mm2
v 1	30 m/s
p t1	100900 Pa
cp	1004 J/kgK
	1,671

Рисунок 4 показывает кажущуюся линейную кривую T t3id как функцию T t1 . Заметьте, что кривая идет через начальные точки, что означает, что T t3id = f(T t1 ) можно записать в следующей упрощенной форме:

T t3id =K 1 T t1 или HR =K 1 , (9) где K 1 – постоянная.

Это уравнение очень полезное, так как оно говорит нам, что температурное отношение (ТО) – это постоянная величина, когда мы охлаждаем впускаемый воздух без добавления топлива. Мощность определяем по выражению

^ = ^ (10)

При посредственном охлаждении, доминатор уравнения 10 остается более или менее постоянным. Проверяя соотношения 1 и 10, можно увидеть, что W red и W n будут оставаться постоянными.

В результате вышесказанного можно сделать вывод, что предварительное охлаждение с постоянным потоком топлива бесполезно.

• б.    Уменьшение Tt1, с сохранением соотношения топлива и воздуха постоянным.

Когда применяется впускное предварительно охлаждение, массовый поток воздуха увеличится. Чтобы поддерживать d постоянной, нужно увеличить поток топлива. Из соотношения 5 можно вывести уравнение для T t3id = f(T t1 ):

hr = т^ + *. (ii)

Использование предварительного охлаждения с постоянной d кажется очень интересным, так как сокращение T t1 приводит к подъему уровня нагрева и соответственно тяги и эффективности.

Экспериментальное подтверждение производных уравнений. Существует много способов охлаждения воздуха, хотя только несколько из них экономически оправданы. Авторами был выбран жидкий азот LN 2 из-за его простоты в использовании, химической инертности, низкого влияния на состав воздуха и, что не менее важно, низкой температуры. Это также интересная среда, которая используется в летательных аппаратах. Причина этого в том, что она единственная в своем роде. При нескольких клапанах раствор азота может сохраняться прохладным, хотя с небольшой потерей своей массы, тем не менее, скрытая теплота необходима для поддержания жидкого состояния.

Воздух можно охладить с помощью LN 2 двумя способами: активно охладить воздух введением LN 2 прямо в поток воздуха или пассивно, используя трубчатый или в виде пластины теплообменник.

• а.    Активное предварительное охлаждение

Большое преимущество этого прямого введения охлаждающего метода в том, что давление воздуха падает очень ограничено, когда используется предварительное охлаждение, и не падает без предварительного охлаждения. Ниже будут рассмотрены охлаждающий прибор, измерение темпера- туры Tt1, эксперименты и проблемы охлаждения.

а1. Описание прибора охлаждения

Прибор Ranger 180 L низкого уровня давления подавал жидкий азот (с температурой 77 0К). Гибкая трубка, длиной 3 м, соединила прибор Ranger с бронзовым наконечником-распылителем (рис. 5  а).

Первые тесты показали, что инжектор следует установить над центральной линией расширенного входа (рис. 5 б). Последовательно двигатель всосал весь азот (LN2). Это было необходимо, так как нужно было измерить цифровое значение массового потока азота т . Единственный способ измерения т – определить массу прибора Ranger до и после теста. Объяснение состоит в том, что LN2 (азот) выходит из резервуара при уровне абсолютного давления 1,7 bar в нейтральном состоянии.

a                                            б

Рис. 5. Распылительное устройство жидкого азота

Рядом с гибкой трубкой N 2 оказывается в двухфазном состоянии. Следовательно, мы не можем определить количество присутствующего газа или жидкости, исключая любой тип прибора для измерения потока.

а2. Измерение температуры Тt1

Планировалось измерить температуру Т t1 термоэлементом типа N. К сожалению, охлаждение воздуха не было однородным. Азот охладил только малое количество воздуха, которое прямым потоком шло в двигатель без какой-либо вращательной скорости, что и ожидалось. Установление двух дополнительных термоэлементов не принесло результатов. Стало очевидным, что с помощью этого типа инжектора невозможно измерить Т t1 .

Хотя, зная т , т и т ', что является массой воздушного потока на входе с предварительным охлаждением и температурой воздуха Т t1 без охлаждения, можно установить температурный уровень

( Т tа - Т t 1 ′ ) =Δ T t 1 вполне достоверно. В [4] было установлено, что вычисление Т 1' через выражение (12) – доступно. Из этого следует, что ^{Δ T}t 1 как v 1 более или менее постоянно.

т _Тү_ ТТ? = Тх"

а3. Эксперименты

Изображение 6 показывает влияние предварительного охлаждения на впускную температуру в различных установках двигателя. Заметьте, что т остается всегда постоянной во всех тестах, будучи в этом случае 0,0105 кг/с. Линии, отмеченные пунктиром, означают экстраполяцию.

Рисунок 7 дает обзор относительного увеличения массы азота во входящем воздухе во время того же теста. Можно сделать вывод, что никаких значительных изменений не происходит в составе входящего воздуха.

Stagnation and Static Inlet Temperature with and without Precooiing

Рис. 6. Влияние предварительного охлаждения на впускную температуру в различных установках двигателя

Influence of LN2 Injection on Air Composition

Рис. 7. Относительное увеличение массы азота во входящем воздухе

Ранее было представлено 4 сценария. Благодаря полученным данным, их можно проверить. Они хорошо соотносятся с реальностью. Предварительное охлаждение без добавления топлива показывает, что не происходит заметного увеличения или уменьшения тяги. Рисунки 8 и 9 показывают влияние предварительного охлаждения с постоянной TIT – входной температурой турбины (ВТТ) и EGT – температурой газов на выходе (ТГВ), что увеличение Тt1 повышает тягу. В случае SR-30 тяга увеличивается более чем на 140% (рис. 10). Заметьте, что предварительное охлаждение с постоянной ТГВ вызывает больший подъем тяги, чем с постоянной ВТТ.

TN = f(EGT.Tt1)

Рис. 8. Параметры влияния предварительного охлаждения

Increase of Thrust due to Precooling

Рис. 9. Параметры влияния предварительного охлаждения

Если учесть влияние, которое имеет предварительное охлаждение на TSFC – удельный расход топлива (УРТ), можно снова увидеть его положительный эффект

(рис. 11). Уровень УРТ падает к 35,6% при постоянной ВТТ и к 49,4% при постоянной EGT (ТГВ).

Рис. 10. Влияние предварительного охлаждения на удельный расход топлива

Однако сравнение УРТ на основе предварительного охлаждения не является верным на системном уровне (для всего объекта). Нужно осознавать, что дополни- тельная жидкость вводится в двигатель.

Следовательно, имеет место расход жид- кой среды. Это требует повторного опре- деления УРТ:

TSFC N

m / + m N 2

T

TN

Пользуясь теми же данными, уста- навливаем, что увеличение   УРТN

( TSFCN ) доходит до 223,5% с постоянной ВТТ и к 205,3% с постоянной ТГВ. Оценки УРТN даются по графикам, представленным на рисунке 12. Очевидно, что УРТN будет играть огромную роль в определении размеров и веса самолета. Кажется, что предварительное охлаждение для снижения расхода топлива бесполезно, особенно на SR-30, так как нам приходится вводить намного больше азота, чем мы получим отдачу от топлива. Но предварительное охлаждение на входе позволяет получить преимущество, которое заключается в том, что для получения той же самой тяги необходим более низкий режим работы двигателя. Это означает снижение нагрузки на подшипники и стабилизацию температуры в двигателе, что улучшает его работу.

Кроме того, предварительное охлаждение позволяет, например, самолету летать на более высоких числах Маха [2], т.к. это уменьшает обычную входную температуру, что благоприятно сказывается на компрессоре. Более того, входное предварительное охлаждение обеспечивает преимущество более высокой тяги двигателя с постоянным размером и объемом.

В работе [3] сравниваются теоретически определенная тяга и тепловой коэффициент полезного действия, полученный во время тестов. Что касается тяги, отклонение от -55% до 15% было определено в холостом режиме и максимальном соответственно.

Что касается теплового коэффициента полезного действия, было обнаружено отклонение от -60 до -5% на холостом и максимальном режиме, соответственно. Причина больших тепловых колебаний, главным образом, вызвана потерями тепла в выпускной трубе, которые не берутся в расчет в уравнении (1), и дополнительными потерями из-за компактности двигателя, которые также не берутся в расчет. Это будет предметом дальнейшей конструкторской работы.

Рис. 11. УРТ_N ( TSFC_N ) с постоянной ВТТ и с постоянной ТГВ

а4. Обледенение

Во время некоторых тестов с предварительным охлаждением, сильное обледенение на лопастях компрессора было замечено, когда они становились белыми

(рис. 12). Обледенение, вызванное конденсацией и замораживанием водных паров в впускном воздухе, на лопастях компрессора деформирует их форму, чрезвычайно снижая эффективность (рис. 13).

Рис. 12. Обледенение на лопатках компрессора, вызванное снижением температуры во входном канале

RPM (1,-min |

Рис. 13. Влияние обледенения на эффективность компрессора

Можно сделать очень важный вывод относительно проблемы обледенения: если бы лед не образовывался на лопатках компрессора, то можно было бы получить более высокие показатели технических характеристик двигателя и, следовательно, более низкий УРТ.

• б.    Пассивное предварительное охлаждение

Понизить температуру воздуха, поступающего в двигатель, можно так же с помощью закрытой камеры предварительного охлаждения.

Был разработан и протестирован противоточный геликоидальный теплообменник размером 854x×200×200 мм (рис. 14) (о нем подробнее будет сказано далее), а в настоящее время проектируется пластинчатый теплообменник на основе маслоохладителя самолёта F-16. О результатах испытаний геликоидального противоточного теплообменника (ГПТ) пойдет речь позже, также будут затронуты проблемы, которые возникли во время испытаний.

Рис. 14. Конструкция геликоидального противоточного теплообменника

• б1.    Описание охлаждающего устройства

  Главная цель испытаний ГПТ – понять устройство и использование криогенного ГПТ, а также принцип работы двигателя с таким ГПТ на входе. Для начала необходимо установить снаружи здания резервуар 3000 л LN 2 . Для того чтобы подать в ГПТ LN2, использовались специальные трубки. Азот поступал в ГПТ в двухфазном состоянии, причем занимая неизвестное положение в области сосуществования, т.к. происходят потери тепла во

время поступления LN2 в том месте, где установлен двигатель. Азот при температуре 77 по шкале Кельвина входит в ГПТ радиально, что даёт ему вихревой компонент. Благодаря этому ускоряется прохождение тепла по медной трубке. Более того, извивающееся движение вызвано винтовой нитевидной пластиной (рис. 14). Поступление азота регулируется вручную с помощью клапана. Датчик температуры, установленный у входа в ГПТ, даёт ценную информацию не только о температуре вы- ходящего азота, но и о наличии жидкости. Жидкий азот заставляет температуру в трубке падать внезапно. Во время периодов устойчивого состояния у выхода ГПТ всегда находился жидкий компонент. Что касается воздушной части ГПТ, то не происходит плавного перехода по диаметру между приемным конусом ГПТ. Как показывают расчеты, во время этого происходили минимальные потери давления. Для того чтобы выиграть время, потери были учтены, хотя это происходило только потому, что в испытаниях не применялись аэрометоды.

• б2.    Измерение температуры Tt1

Температуру Ttl измеряли прямо перед компрессором с помощью двух термопар N типа, помещенных под углом 120 градусов. Во время проведения испытаний установили однородную температуру.

• б3.    Эксперименты

Было проведено 5 экспериментов, о трех из них рассказывается ниже. Каждое испытание проводилось следующим образом: сначала выбирали номинальную характеристику двигателя без предварительного охлаждения, поддерживая подачу топлива, последовательно выбирали постоянную ТВГ и, наконец, постоянную ВТТ. Во время последних двух измерений трудности возникали при очень высоких режимах.

Итак, первоначально целью испытаний является проверка того, способна ли термодинамическая модель качественно предусмотреть поведение двигателя с закрытой камерой предварительного охлаждения. В отличие от открытой камеры предварительного охлаждения здесь по-другому рассматривается модель. Из-за потерь в ГПТ давление перед компрессором снизится так же, как и скорость воздушного потока в ГПТ. Таким образом, чем выше режим, тем больше потерь давления, особенно во время обледенения.

По нашему мнению, в термодинамической модели все коэффициенты полезного действия не меняются. Для того чтобы лучше соответствовать данному условию, используются приведенные значения. Итак, осевая нагрузка и массовый расход выглядят следующим образом:

Т_с = £ и ш ,   ^,     (14/15)

при этом о Ptl д Ttl о f =----- и и = =-----,

^L 5 1 о 13 2 5         ^L     2 8 8,15

(16/17)

где mс – это стандартное значение для ГТД и также корректирует массовый расход изменений температуры, что в нашем случае вызвано предварительным охлаждением.

Если мы внимательнее рассмотрим приведенные значения, то убедимся в том, что нам действительно необходимо принимать во внимание перепад давления. Чем больше будет потеря давления, тем ниже становится δt, тем выше приведенные значения. То же самое будет в отношении осевой нагрузки, которая зависит только от изменения давления на входе (для теплового отношения и постоянной эффективности). Интересно то, что приведенные значения помогут нам понять функционирование двигателя без предварительного охлаждения. Хотя необходимо понимать, что только одни приведенные значения не могут работать в действительности: δt и Өt должны быть всегда известны. Например, станет возможным значительное сокращение увеличения осевой нагрузки без предварительного охлаждения благодаря низкому значению δt , вызванному ГПТ. Таким образом, действительно важно удерживать значение δt на как можно более высоком уровне, например с помощью правильного ГПТ, плавных переходов по диаметру и предупреждения обледенения. Помня об этом, мы сможем и дальше оценивать результаты испытаний.

Рисунок 15 показывает, что приведенная осевая нагрузка – это линейная функция приведенного массового расхода. Данные – это непосредственно результаты трех испытаний, каждое из которых проводится вышеуказанным способом, а также ещё 7 испытаний с участием ГПТ и без предварительного охлаждения.

Corrected Thr иИ • Ц C ejected Mni Ftfw)

Рис. 15. Зависимость осевой нагрузки от массового расхода

Если рассмотреть рисунок, то можно

утверждать, что для каждого режима с предварительным охлаждением или без

него

d Тс дтс

= Ct

.

В нашей термодинамической модели мы используем HR – тепловое отношение (ТО) в качестве входного параметра. Согласно нашим экспериментальным данным приведенный массовый расход т с лучше всего коррелируется с HR (ТО). Это можно видеть на рисунке 16.

Cenectrd Watt Flow ■ ^HRj

Рис. 16. Зависимость массового расхода входящего воздуха т с от теплового отношения

Каждая линия отклоняется примерно на 5% от среднего уклона всех линий. Следовательно, если допустить, что отклонение у всех линий одинаковое, то мы получим следующее:

= Ct (19) dHR ^v '

Согласно термодинамической модели мы знаем, что HR (ТО) останется неизменным в случае, если выбрать предварительное охлаждение с установкой постоянной подачи топлива. Это означает, что д HR=0. Тогда дтс, а также дТс - это ноль (см. равенства 18 и 19). Таким образом, согласно экспериментальным данным постоянный HR (ТО) не способствует увеличению Тc. Поскольку тс не подвержен влиянию изменения температур (предварительное охлаждение) и поскольку δt вместе с предварительным охлаждением уменьшилось только на 1,5%, то по всей вероятности влияние на осевую нагрузку едва ли заметно. Это означает, что осевая нагрузка должна оставаться неизменной с установкой постоянного поступления топлива. Экспериментальные данные подтверждают этот вывод. Постоянная установка ВТТ или ТВГ увеличивает ТО, увеличивая также тс и Тс. Данная осевая нагрузка увеличивается, как только увеличивается подача топлива. Однако переменная δt имеет неустойчивый параметр, т.к. при более высоких режимах включаются главным образом более низкие δt, которые уменьшат осевую нагрузку.

Результаты испытаний с закрытым предварительным охлаждением показаны на рисунках 16, 17 и 18. Как и следовало ожидать, осевая нагрузка увеличивается при увеличении ТО. Обратите внимание на то, что осевая нагрузка фактически не меняется, если поддерживается постоянное ТО.

Наибольшее изменение осевой нагрузки получено при постоянной нагрузке ВТТ. Во время одного из тестирований было зарегистрировано увеличение нагрузки примерно на 50%. В отличие от процесса активного предварительного охлаждения, температурный перепад остается более-менее постоянным при различных настройках двигателя. Это ясно видно на рисунке 17. На рисунке 18 отражены изменения δt при различных настройках двигателя и во время обледенения. Обнаружено, что δt снижается при более высоких режимах и – более того – даже при постоянном ТО (LN2 FF), где не происходят никакие серьезные изменения скорости перед компрессором. Падение давления вызвано обледенением.

IK2NT         uneoT

Рис. 21. Увеличение тяги при пассивном охлаждении: clean – без предварительного охлаждения;

LN2 FF – предварительное охлаждение при постоянном потоке топлива;

LN2 ВТТ – предварительное охлаждение при постоянной настройке ВТТ;

LN2 ТВГ – предварительное охлаждение при постоянной настройке ТВГ

Наконец, несколько слов относительно УРТ и УРТ N2 . Согласно термодинамической модели, УРТ должно снижаться, когда возрастает ТО, и остается неизменным, когда устанавливается постоянная ТО, т.е.

предварительное охлаждение при постоянной подаче топлива.

Сказанное выше подтверждается результатами экспериментов. Зарегистрировано наибольшее снижение на 15%.

Рис. 22. Падение входящей температуры: clean – без предварительного охлаждения;

LN2 FF – предварительное охлаждение при постоянном потоке топлива; LN2 ВТТ – предварительное охлаждение при постоянной настройке ВТТ;

LN2 ТВГ – предварительное охлаждение при постоянной настройке ТВГ

«•*

Htl                  Utitr               LHITIT

LN2(GT

Рис. 23. Падение δt :

clean – без предварительного охлаждения;

LN2 FF – предварительное охлаждение при постоянном потоке топлива;

LN2 ВТТ – предварительное охлаждение при постоянной настройке ВТТ;

LN2 ТВГ – предварительное охлаждение при постоянной настройке ТВГ

Однако будет неправильно применять величину УРТ, т.к. при этом не учитывается расход LN2. Тем не менее, как при активом предварительном охлаждении, УРТ N2 должно быть определено. Так как средний расход LN2 составил примерно 85 г/с, УРТ N2 значительно больше. УРТ N2 в 50 раз больше УРТ.

Это значит, что данный теплообменник действительно не подходит для использования в воздухе (но это не является целью данного исследования, как было сказано раньше), поскольку соотношение массы хладагента и массы топлива может стать недопустимо высоким при постоян- ной массе или при постоянной массе LN2 в течение отведенного времени.

• б4.    Обледенение

Во время тестирования значительное количество льда оседало на внутренней стенке трубы теплообменника (часть влажного воздуха). Это логично, т.к. температура на стенке падает ниже 170 оК, имея ввиду, что температура N2 – 77 оК. Слой льда со временем утолщается, несмотря на то, что скорость его образования будет уменьшаться, так сам слой льда действует как изолятор. Последние два эксперимента высокоскоростного режима определения пассивного предварительного охлаждения с винтообразным/геликоидальным теплообменником показали значительное отклонение осевой нагрузки и массы тока по сравнению с другими тремя экспериментами ненагруженного и обычного режимов.

Первое изучение данных указывает на загрязнение воздуха в теплообменнике. Узкий проход, образованный слоем льда, не имеет ни точно определенного места, ни фиксированных размеров. Это зависит от образования (или деформации) слоя льда и его отслоений, так как поверхность слоя льда хрупкая, а также от избранного режима. Итак, не удивительно, что это явление затрудняет предварительную обработку данных. Наличие кусочков льда, отделившихся от ледяного слоя, было подтверждено с помощью эндоскопии передней части компрессора. Выявлены белые хлопья, влетающие в двигатель.

Заключение

Можно сделать вывод о том, что активное предварительное охлаждение с прямым впрыскиванием LN2 предпочтительно в случае, когда необходимо большое увеличение энергетических характеристик двигателя.

Дальнейшее увеличение энергетических характеристик может быть получено, если охлаждение на лопастях будет уменьшено. Преимущество активного предвари- тельного охлаждения заключается в простоте системы, легком весе и небольшом объеме.

Пассивное предварительное охлаждение нуждается в теплообменнике. Он должен быть настолько небольшим, насколько это возможно. Более того, пассивное предварительное охлаждение приводит к обледенению внутри теплообменника. Это может привести к засорению входного отверстия, что значительно снижает эффективность работы двигателя. Двигатель даже может заглохнуть. Вот почему настойчиво рекомендуется устанавливать антиобледенительные системы. К сожалению, это ведет к увеличению веса и сложности конструкции. Но есть и преимущество. Пассивное предварительное охлаждение позволяет использовать топливо как хладагент.

В будущем возможно будет использоваться жидкий водород, сохраняемый при высоком давлении в качестве топлива. Это значит, что не потребуется дополнительная емкость для хладагента, как в случае с предварительным активным охлаждением.

Итак, когда требуется только увеличение энергетических характеристик, а не долговечность, предварительное охлаждение предлагает более экономичный способ решения вопроса.